S型無碳小車的建模設計與運動仿真及試驗研究

史家昊

（中國人民解放軍國防科技大學，湖南 長沙 410000）

0 引言

如今人類的活動愈加頻繁，其中有許多行為活動會嚴重污染生態環境，因此各國為了緩解生態、資源壓力，都致力于探尋清潔能源。文章涉及的無碳車屬于環保特點明顯的一類短程代步交通工具，其環保、節能以及經濟等優勢明顯。大面積推廣與應用無碳車，有利于社會可持續發展和環保工作的進一步落實。我國舉辦的大學生工程訓練綜合能力比賽也積極響應國家號召，為了提升學生綠色環保意識，將無碳小車列入到比賽項目當中。

1 無碳小車的推廣意義

對于無碳小車而言，其惟一的能量即焦耳重力勢能，其屬于一類三輪小車，具備連續繞過障礙的功能，能夠幫助人們落實無碳出行。無碳小車中運用柔性繩索取代以往擺桿機構的剛性桿，能幫助人們更加省力地對轉彎操作加以控制，從而在使小車重量有效降低的基礎上，順利實現、管控對障礙物的躲避周期。此類小車的輪子主要是有機玻璃，也能夠使地面和車輪簡摩擦系數合理降低。無碳小車擁有簡單的總體構造，較小的摩擦耗損，較高的工作效率，且便于安裝。

便捷性、經濟性以及環保性屬于無碳小車最重要的優勢，其對于能源節約和能量利用率的有效提升意義深遠。因此，無碳小車擁有良好的推廣和應用前景：一方面，其可以使學生進一步了解機械理論知識以及相關實驗、實踐；另一方面，小車商品化特征的實現能夠充分激發學生學習、掌握機械構造的興趣；此外，有關部門還可將無碳小車陳列到科技館當中，以便讓更多人對機械構造進行深入把握。

當前，我國的教育部為廣大大學生組織了工程訓練綜合能力比賽，而無碳小車已經屬于其中一項重要的命題。學生在設計、加工、制作、裝配以及調試和比賽階段，能夠不斷提升自身分析和解決問題的水平，積極結合理論和實踐，同時，充分強化學生創新邏輯。

2 S型無碳小車的建模設計

我所設計的S型無碳小車能夠避開200-300mm間距的障礙。在實際設計階段，我借助軟件NX10.0落實S型無碳小車的建模設計與運動仿真，隨后按照相應建模進行零件的加工與裝配等工作，最終調試樣機，對軌跡相應數據進行記錄，并且比對仿真結果和試驗結果，對小車誤差規律以及行走軌跡的特征等展開研究。

2.1 總體設計要求

設計時需要把重1kg的鉛錘砝碼從（400±2）mm高度下落時形成的重力勢能，全部轉化成確保無碳小車能夠前進的相應機械能，另外，也需要借助小車自身轉向機構確保其能夠自行避開行進中間距為200-300mm的障礙物。此類小車的主要組成機構包含了驅動、車輪、傳動以及轉向等。設計的邏輯要點在于：

在無碳小車行進階段，其能量全部來自于重錘落下時產生的重力勢能，因此，設計需要對這部分能量加以運用，避免出現不必要的能量耗損。

由于小車需要沿著S型的線路行進，因此應當確保轉向機構可以根據相應規律進行周期性的運轉，同時提升其可靠性以及穩定性。

在重錘落下的時候會使繩輪發生相應轉動，隨后經由齒輪傳動以相應轉動比向車輪軸傳遞轉速，繼而使無碳小車開始行進。

此外，需要明確的是，若地面和小車車輪間擁有越小摩擦力，便可以使小車行進更遠的距離。

各機構的詳細設計如下：

2.2 設計驅動機構

此機構主要功能在于把上文體積的重力勢能順利轉化為小車的前進動能，較為常用的機構包含了線繩牽引、撞擊擺桿以及單擺等機構。要確保小車擁有簡單的驅動機構，如此才能使損失的能量被控制在最低；另外要使驅動力有持續性且適中，且能夠適用于各類場地摩擦力，并且能夠調節驅動力。同時，在轉換驅動能量的時候，要保證能量之間實現直接轉換，防止能量流失。所以，在設計無碳小車的驅動機構時，應優選線繩式牽引機構。

2.3 設計車輪機構

該機構主要功能在于確保無碳小車能夠持續行進。按照比賽的實際要求，所設計小車整體應該是三輪結構，其中前輪屬于小車的轉向輪，而兩個后輪屬于小車的行進輪。因為無碳小車在行進時應積極克服地面和車輪間摩擦力，因此要將凹槽結構設置在兩個后輪中間，確保摩擦力以及能量耗損得以減少。在此機構中，較為常用的后輪設計包含了雙輪差速行進、單輪行進以及雙輪同步行進等，然而因為在小車行進時時常會需要執行變向以及急轉等操作，因此設計兩個后輪時可采用雙輪差速行進的方式。我在設計過程中，設計了70mm的后輪直徑，并且將參賽小車右后輪當做主動輪，而將左后輪當做從動輪。

2.4 設計傳動機構

此機構主要功能在于向前輪轉向機構傳遞車輪軸動力，確保其能夠實現周期轉動。當前常用傳動機構包含了鏈、齒輪以及帶等傳動方式，而無碳小車所應用傳動機構應當可以簡單、穩定和高效地進行傳動，同時要保證無碳小車便于裝拆，有緊湊的機構以及較高的安裝精度。我在設計時選用的傳動機構為齒輪傳動。

2.5 設計轉向機構

此機構主要功能在于對前車輪的周期轉動加以控制，屬于無碳小車最為關鍵的一個機構，小車是否可以根據預定目標行進主要取決于此機構的精度。轉向機構運動性質即把旋轉運動轉化成往復性的擺動，而常用于實現此性質的機構包含了曲柄滑塊、凸輪以及曲柄搖桿等機構。我在設計階段選用了曲柄搖桿轉向機構。

當所有機構都設計完成，且展開干涉檢查之后，裝配各個機構。

3 運動仿真及試驗

3.1 仿真結果

通過觀察仿真及試驗過程中無碳小車行進時其右后輪軌跡線可知，此軌跡與正弦曲線相近，試驗中無碳小車能夠自動進行轉向，這表明我的設計已經達到了初步要求。

3.2 搖桿擺距的改變引發的軌跡變化

觀察仿真及試驗過程中無碳小車行進時，在軌跡伴隨搖桿擺距有15mm，20mm以及25mm變化的時候，無碳小車的越障樁距分別是186mm，243mm以及309mm。由此可知，當增加搖桿擺距時，無碳小車的越障樁距也會加大。因為遙桿可以調節的范圍在15-25mm范圍內，所以我設計的無碳小車越障樁距與要求的200-300mm樁距范圍相符合。

3.3 軌跡受最初擺放角度的影響

盡管我設計的無碳小車已經擁有與正弦曲線相近的軌跡，然而很多時候在小車行進過程中，其軌跡中心線沒有與障礙物相對應地連成直線。在運動仿真及試驗階段可知，無碳小車行進軌跡中心線將會受到初始小車擺放角度的直接影響。通過觀察試驗結果得知，試驗、模擬軌跡改變的主要趨勢是相同的，然而試驗中并沒有較大變化幅度。此現象的主要影響因素包含了小車實際加工與裝配、行進階段應克服的摩擦力，以及比賽階段可變的樁距等。所以調試小車時，我還應該進行更多的嘗試，并將相應數據記錄下來，以便得到與比賽要求更為相符的初始無碳小車擺放的角度。

4 結束語

總體而言，通過仿真及試驗能夠得知：

（1）我所設計的無碳小車能夠達成預期的比賽要求，此小車不僅能夠實現自動轉向，也可以使避開200-300mm障礙樁距的與其要求得到滿足。

（2）我應用的軟件NX10.0，能夠使小車整體運動仿真得以實現，其試驗和模擬的結果都較為一致，這說明我的設計方法是可行的，同時也能借助軟件所模擬的規律以及結果，對小車的調試工作進行指導。

（3）經由對初始小車的擺放角度以及搖桿擺距進行調整，能夠使小車的行進軌跡到有效調整。

（4）在反復試驗中得知，我設計的小車在行進時，其軌跡線一直都會被行進時各種場地的摩擦力、可變樁距以及裝配與加工零件的精度等影響，所以為了最大限度減少影響，我還應展開更多試驗，并從中對無碳小車行進軌跡相應影響因素加以總結。